HJ-1B衛(wèi)星紅外多光譜相機星上定標(biāo)精度分析

韓啟金 閔祥軍 傅俏燕 孫 珂 王愛春

(1中國資源衛(wèi)星應(yīng)用中心,北京100094)

(2中國空間技術(shù)研究院,北京100081)

1 引言

衛(wèi)星傳感器熱紅外探測通道具有晝夜工作的能力,為了一定程度上滿足我國熱紅外遙感定量化應(yīng)用的需要,我國于2008年9月發(fā)射了環(huán)境與災(zāi)害監(jiān)測預(yù)報小衛(wèi)星——“環(huán)境一號”A/B星(HJ-1A/B),其中HJ-1B衛(wèi)星上搭載的紅外多光譜相機(紅外相機)設(shè)置有熱紅外波段(10.5～12.5μ m),星下點對應(yīng)地面像元分辨率為300m,主要用于地表溫度探測、城市熱島調(diào)查、環(huán)境污染與災(zāi)害監(jiān)測等。實現(xiàn)遙感數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用的前提是傳感器準(zhǔn)確的絕對輻射定標(biāo),即確定傳感器輸出量(一般為觀測圖像計數(shù)值DN)與目標(biāo)輸入絕對物理量之間的定量關(guān)系。傳感器絕對輻射定標(biāo)的精度是評價定標(biāo)系統(tǒng)監(jiān)測傳感器運行狀況能力的重要指標(biāo)和地面目標(biāo)多種定量化應(yīng)用的保證[1]。

HJ-1B衛(wèi)星在軌運行期間,由于受空間環(huán)境變化和元器件老化等因素的影響,紅外相機探測性能不斷衰變,必須定期地對其進行在軌絕對輻射定標(biāo)。傳感器在軌輻射定標(biāo)方法包括星上定標(biāo)、交叉定標(biāo)和場地定標(biāo),其中星上定標(biāo)方法不受時間、環(huán)境因素的限制,能適時監(jiān)測傳感器探測性能變化情況,及時地更新定標(biāo)系數(shù)[2-3]。本文詳細(xì)分析了HJ-1B紅外相機星上定標(biāo)系統(tǒng)的精度影響因素,利用美國TERRA衛(wèi)星MODIS傳感器熱紅外數(shù)據(jù)對紅外相機星上定標(biāo)系統(tǒng)精度進行驗證。結(jié)果表明,在綜合考慮MODIS傳感器本身定標(biāo)的不確定度[4]的情況下,HJ-1B衛(wèi)星紅外相機星上定標(biāo)系統(tǒng)自發(fā)射以來相對精度降低了約1.5%。本文分析結(jié)果對后續(xù)衛(wèi)星傳感器星上定標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計具有一定參考意義。

2 紅外相機星上定標(biāo)系統(tǒng)

HJ-1B衛(wèi)星紅外相機星上定標(biāo)系統(tǒng)利用側(cè)面套筒校正黑體實現(xiàn)中長波在軌輻射校正。衛(wèi)星紅外相機掃描鏡每掃過地物條帶一行,光學(xué)系統(tǒng)就會對校正黑體觀測一次,測溫電路同時對校正黑體的溫度和掃描鏡溫度進行同步測量。通過溫度與探測器輸出信號幅值之間的變化關(guān)系,修正地面定標(biāo)時獲得的輻射反演公式,從而實現(xiàn)熱紅外波段在軌的輻射校正(見圖1)。衛(wèi)星在軌運行時,校正黑體的溫度保持在(293±5)K,在進行星上定標(biāo)時,將校正黑體加熱到(328±5)K,通過校正黑體高低溫兩點,實現(xiàn)星上定標(biāo)[5]。

圖1 在軌輻射基準(zhǔn)和校正黑體示意圖

根據(jù)衛(wèi)星發(fā)射前實驗室定標(biāo)實驗結(jié)果,針對不同的校正黑體溫度Tc對應(yīng)到此溫度下標(biāo)準(zhǔn)面源黑體的輻射率NTc,可由經(jīng)驗公式求得:

式中 Tc為對應(yīng)校正黑體溫度;ki(i=0,1,2,3)為實驗室求得的對應(yīng)紅外通道標(biāo)準(zhǔn)面源黑體輻射率與黑體溫度反演系數(shù),溫度范圍的不同ki對應(yīng)的值不同。

定標(biāo)系統(tǒng)本身攜帶的掃描鏡溫度對校正黑體響應(yīng)特性產(chǎn)生一定影響,進行熱紅外波段星上定標(biāo)時應(yīng)用實驗室經(jīng)驗關(guān)系進行相應(yīng)的修訂。在不同校正黑體溫度Tc和掃面鏡溫度Tm下,校正黑體本身的輻射率Nc值可由公式(2)求得:

式中 ac和bc為實驗室求得的不同掃描鏡溫度Tm下NTc和Nc間的轉(zhuǎn)換系數(shù)。掃描鏡溫度在288～298K間波動。

針對校正黑體常溫和高溫數(shù)據(jù)分別計算可得到黑體的輻射率Nc1和Nc2,再將其轉(zhuǎn)換為對應(yīng)輻亮度Le1和Le2。根據(jù)HJ-1B衛(wèi)星紅外相機觀測校正黑體時記錄文件HJ-1B-IRS.CAL(簡稱CAL文件)中提取對應(yīng)通道計數(shù)值DN1和DN2,則可以得到兩組星上黑體定標(biāo)數(shù)據(jù)(Le1,DN1)和(Le2,DN2),將其代入定標(biāo)公式(3),解二元一次方程組即可得到HJ-1B衛(wèi)星熱紅外通道星上黑體定標(biāo)系數(shù)g和b。

式中 定標(biāo)系數(shù)g為增益;b為截距。具體定標(biāo)流程如圖2。

圖2 HJ-1B衛(wèi)星紅外相機星上定標(biāo)流程圖

3 星上定標(biāo)系統(tǒng)精度分析

根據(jù)HJ-1B衛(wèi)星紅外相機星上定標(biāo)流程可知,星上定標(biāo)系統(tǒng)誤差的大小受到多種因素的影響:系統(tǒng)元器件本身精度,系統(tǒng)各溫度測控精度,相機通道探測精度(探元DN精度)以及數(shù)據(jù)處理精度等[6],所有的誤差綜合影響最終系統(tǒng)定標(biāo)結(jié)果的精度。

3.1 定標(biāo)系統(tǒng)元器件精度

紅外相機星上定標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計和實驗過程中,以標(biāo)準(zhǔn)面源黑體作為基準(zhǔn)計算校正黑體輻射率,校正黑體輻射率與同溫標(biāo)準(zhǔn)面源黑體輻射率之間的換算關(guān)系隨著掃描鏡溫度 Tm的大小變化而變化。標(biāo)準(zhǔn)面源黑體本身的比輻射率≥0.998,溫度不確定度為±0.05℃,測溫精度為±0.2℃,由于黑體溫度與輻射量之間的非線性關(guān)系采用了分段線性等效,這在總體上將引入標(biāo)定誤差。星上定標(biāo)系統(tǒng)的校正黑體比輻射率≥0.95,溫度不確定度為±0.05℃,測溫精度為±0.2℃,雖然比輻射率引入的誤差可以通過高精度的標(biāo)準(zhǔn)面源黑體進行消除,但是由于掃描鏡溫度無法直接測量,而是通過掃描鏡支架兩端溫度等效,因此NTc和Nc間的轉(zhuǎn)換系數(shù)ac和bc的計算精度無法估計,當(dāng)測量誤差為3℃時,引入輻射率誤差為0.7%。系統(tǒng)各個元器件的工作溫度也影響其性能的穩(wěn)定性,加之系統(tǒng)噪聲的存在,只能對定標(biāo)系統(tǒng)的精度進行統(tǒng)計性分析。

3.2 定標(biāo)系統(tǒng)溫度測控精度

HJ-1B衛(wèi)星發(fā)射以來已在軌運行數(shù)月,為了監(jiān)測星上定標(biāo)系統(tǒng)校正黑體與掃描鏡溫度的穩(wěn)定性,本文通過對各時間段星上溫度數(shù)據(jù)進行分析,得到具體溫度隨時間的波動曲線,如圖3、圖4所示。

圖3 校正黑體溫度隨時間波動曲線

圖4 掃描鏡溫度隨時間波動曲線

隨著HJ-1B衛(wèi)星在軌運行時間的延長,星上校正黑體和掃描鏡溫度波動范圍逐漸增大,可見定標(biāo)系統(tǒng)的元器件本身受環(huán)境因素等影響,其溫控器件穩(wěn)定性和測控精度有所衰減(圖3、4溫度波動范圍逐漸增大)。

HJ-1B衛(wèi)星紅外相機在星上定標(biāo)過程中,需要對校正黑體進行加熱約2min,以得到高溫校正黑體數(shù)據(jù),由于加熱系統(tǒng)的穩(wěn)定性及校正黑體本身的特點,使得校正黑體溫度產(chǎn)生一定的波動。自HJ-1B衛(wèi)星發(fā)射以來,地面系統(tǒng)對紅外相機熱紅外波段進行了7次星上定標(biāo),定標(biāo)過程中高溫校正黑體本身溫度存在波動性,圖5各曲線表示各次定標(biāo)過程中高溫校正黑體溫度變化。

圖5 星上定標(biāo)高溫校正黑體溫度波動曲線

紅外相機星上定標(biāo)過程中,高溫校正黑體溫度變化約在2℃～2.4℃之間波動(圖5),引起的輻射量誤差約為0.25%～0.3%,并且影響到衛(wèi)星觀測通道計數(shù)值DN的均勻性。

3.3 紅外相機通道探測精度

紅外相機成像方式采用混合型掃描,其熱紅外通道采用10探元并掃,各通道探測器由同一個制冷機制冷。通道綜合探測性能受溫度、衛(wèi)星穩(wěn)定性和探測象元間差異的影響,衛(wèi)星通道計數(shù)值存在一定變化。由于通道計數(shù)值直接參與最終定標(biāo)系數(shù)的計算,因此,其精度將直接影響最終定標(biāo)結(jié)果。對多次定標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計計算發(fā)現(xiàn),紅外相機熱紅外通道各探測像元掃描校正黑體時存在2個DN左右的波動,因此,在定標(biāo)過程中均需考慮其影響。

多次星上定標(biāo)過程中相機觀測常溫黑體時,各個探元DN波動趨勢一致,探元9和10相對其他探元波動范圍較大(圖6),原因是常溫校正黑體溫度穩(wěn)定且衰變趨勢一致(圖3),但各探元性能間存在一定差異。觀測高溫校正黑體時,各探元間DN波動出現(xiàn)交叉現(xiàn)象(圖7),原因是高溫校正黑體本身溫度波動較大,多次定標(biāo)過程中出現(xiàn)校正黑體溫度重疊(圖5)。

圖6 星上常溫校正黑體對應(yīng)各探元DN波動曲線

圖7 星上高溫校正黑體對應(yīng)各探元DN波動曲線

3.4 定標(biāo)數(shù)據(jù)處理精度

紅外相機星上定標(biāo)系統(tǒng)本身元器件、測控系統(tǒng)、通道探測靈敏度等精度的分析結(jié)果表明采用實驗室獲得的星上定標(biāo)算法本身存在一定的誤差?，F(xiàn)對具體定標(biāo)數(shù)據(jù)處理精度進行分析,為后續(xù)星上定標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計以及算法研究提供一定的借鑒。

(1)校正黑體輻亮度的計算精度

紅外相機星上定標(biāo)系統(tǒng)所用校正黑體輻射率以標(biāo)準(zhǔn)面源黑體為基準(zhǔn)進行計算。衛(wèi)星在軌運行期間,延用實驗室獲得的經(jīng)驗公式進行定標(biāo)數(shù)據(jù)處理會產(chǎn)生一定誤差,同時校正黑體本身溫度存在波動性,常溫時為±0.05K,加熱時為±2K;當(dāng)溫度波動1K時,引入等效標(biāo)準(zhǔn)面源黑體輻射率0.15%的計算誤差。HJ-1B衛(wèi)星發(fā)射以來紅外相機星上校正黑體溫度和掃描鏡溫度波動曲線表明星上定標(biāo)系統(tǒng)溫度穩(wěn)定性越來越差,引入了一定的不穩(wěn)定誤差。

式中 λ為波長;λc為有效波長;λmin和 λmax為通道最小和最大波長;f(λ)為通道光譜響應(yīng)函數(shù)。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),Δλ產(chǎn)生0.01μ m的誤差會引起校正黑體輻亮度0.65%的波動。假設(shè)黑體分光輻亮度Le在整個通道響應(yīng)范圍內(nèi)為定值,即不隨波長變化,忽略紅外相機熱紅外通道響應(yīng)隨波長的波動,此種Le的計算會引入一定誤差。

(2)對應(yīng)通道計數(shù)值計算精度

紅外相機多元并掃的成像方式?jīng)Q定了各探元通道計數(shù)值差異的存在,同時各個探元本身探測靈敏度的波動也會影響DN值的均勻性。校正黑體的溫度波動以及各個探測象元本身的差異,使得計算整個通道的定標(biāo)系數(shù)時,存在一定波動誤差。

4 星上定標(biāo)結(jié)果精度檢驗

HJ-1B衛(wèi)星自發(fā)射以來對紅外相機熱紅外通道進行了7次星上定標(biāo),紅外相機受空間環(huán)境以及自身元器件穩(wěn)定性影響使得星上定標(biāo)系統(tǒng)監(jiān)測傳感器性能衰變的能力有所變化,有必要對定標(biāo)結(jié)果的精度進行驗證,以修正定標(biāo)系數(shù)來滿足數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用的需要。

利用星上定標(biāo)前后對青海湖用TERRA衛(wèi)星的MODIS-31、32通道輻亮度與同時相HJ-1B衛(wèi)星熱紅外通道輻亮度(通過定標(biāo)系數(shù)求得)進行比較分析,得出HJ-1B衛(wèi)星在軌運行中星上定標(biāo)系統(tǒng)監(jiān)測精度[7-8]。為了提高驗證的精度,首先用MODTRAN模擬相同大氣條件下兩傳感器接收輻亮度的差異(見表1),對消除此差異條件下的同時相遙感圖像進行對比。HJ-1B衛(wèi)星紅外相機與TERRA星MODIS傳感器本身特征參數(shù)和觀測時間、角度均存在差異,因此,必須進行空間匹配,并對相同區(qū)域輻亮度進行均值化處理(見圖8)。

表1 相同大氣條件下兩傳感器接收輻亮度差異

圖8 HJ-1B衛(wèi)星紅外相機與TERRA衛(wèi)星MODIS傳感器輻亮度對比圖

利用HJ-1B衛(wèi)星紅外相機星上定標(biāo)結(jié)果獲得的熱紅外通道輻亮度與同時相TERRA衛(wèi)星MODIS-31、32通道輻亮度匹配區(qū)域?qū)Ρ冉Y(jié)果曲線如圖9所示。

圖9 青海湖同時相數(shù)據(jù)平均輻亮度對比曲線

從以上數(shù)據(jù)分析可見,HJ-1B衛(wèi)星熱紅外通道輻亮度與TERRA的MODIS-31、32通道輻亮度總體差異隨著衛(wèi)星在軌運行時間的延長逐漸變大。由于MODIS傳感器采用的星上定標(biāo)技術(shù)比較成熟,定標(biāo)結(jié)果的不確定度為2%,總體上MODIS熱紅外通道輻亮度精度較高,可假設(shè)一定時期內(nèi)的衰減量恒定,因此,認(rèn)為圖9中的差異變化是HJ-1B衛(wèi)星紅外相機定標(biāo)精度衰減量增大所致。綜合比較HJ-1B衛(wèi)星多次星上定標(biāo)后的熱紅外通道輻亮度與TERRA的MODIS-31、32通道輻亮度差異變化,發(fā)現(xiàn)HJ-1B衛(wèi)星上定標(biāo)系統(tǒng)相對精度降低約1.5%。

5 結(jié)束語

HJ-1B衛(wèi)星紅外多光譜相機在軌絕對輻射定標(biāo)精度是遙感數(shù)據(jù)定量化應(yīng)用的保證[9],其中星上定標(biāo)方法由于不受時間環(huán)境因素限制,可以連續(xù)地監(jiān)測傳感器探測性能的衰變情況。本文針對HJ-1B衛(wèi)星紅外相機星上定標(biāo)原理,研究分析了定標(biāo)過程中各個環(huán)節(jié)的誤差因素以及對定標(biāo)結(jié)果精度的影響。最后通過TERRA的MODIS-31、32合成通道輻亮度對HJ-1B衛(wèi)星紅外相機星上定標(biāo)結(jié)果進行精度檢驗,結(jié)果表明HJ-1B衛(wèi)星紅外相機自發(fā)射以來,星上定標(biāo)系統(tǒng)相對精度下降了1.5%左右。文章分析結(jié)果為后續(xù)衛(wèi)星紅外傳感器星上定標(biāo)系統(tǒng)的設(shè)計和數(shù)據(jù)處理提供相關(guān)借鑒。

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